藍(lán) 利， 雷曉云， 高 凡， 黃 霄

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

人水關(guān)系一直是人類發(fā)展的核心命題，在經(jīng)歷了人類對(duì)水的被動(dòng)依存、主動(dòng)對(duì)抗、積極利用以及由于人類對(duì)水循環(huán)認(rèn)識(shí)不足及自身用水行為管理不當(dāng)而導(dǎo)致一系列人水危機(jī)后，人水和諧成為當(dāng)前及今后流域發(fā)展的關(guān)鍵主題[1]。河流是各類水體中較易被開(kāi)發(fā)利用的淡水資源，同時(shí)也是地球上多樣化生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。整個(gè)20世紀(jì)發(fā)生在地球上的種種生態(tài)危機(jī)事實(shí)促使人們不得不重新看待河流，思考河流價(jià)值，重新定位人與河流之間的關(guān)系，并采取措施修復(fù)或恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)，持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮河流服務(wù)功能，河流健康理念即基于此背景提出[2]。作為一種適應(yīng)性的河流管理工具，如何界定概念與內(nèi)涵、尺度與范圍、指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)、模型與方法，是河流健康研究技術(shù)方法體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多學(xué)者在河流健康評(píng)價(jià)方面做了大量工作，并形成了多種如河流健康計(jì)劃(RHP)[3]、魚(yú)類評(píng)估指數(shù)(FAI)[4]、倒位寄生蟲(chóng)指數(shù)(IPI)[5]、生物完整性指數(shù)(IBI)[6]、定量微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法(QMRA)[7]、多元標(biāo)準(zhǔn)決策法(MCDM)[8]等經(jīng)實(shí)踐推行的評(píng)價(jià)方法。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始關(guān)注國(guó)內(nèi)河流健康問(wèn)題，并在長(zhǎng)江、珠江、黃河、海河、遼河等大江大河進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)試點(diǎn)研究[9]，已于2010年啟動(dòng)了全國(guó)重要河湖健康試點(diǎn)評(píng)估工作，制定了《河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作用)》。

由于在流域范圍內(nèi)對(duì)所有干擾都敏感的單一河流健康指標(biāo)是不可能存在的[10]，且考慮到我國(guó)幅員遼闊、類型多樣、河流開(kāi)發(fā)與人類干擾程度不一，河流健康評(píng)價(jià)涉及的關(guān)鍵指標(biāo)應(yīng)因地制宜。干旱區(qū)內(nèi)陸河流域是水資源系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)最脆弱的地區(qū)之一[11]，確定有效指示干旱內(nèi)陸河流健康狀態(tài)及變化的關(guān)鍵因子，對(duì)于干旱內(nèi)陸河流生態(tài)水文保育與河流適應(yīng)性管理至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以來(lái)我國(guó)公開(kāi)發(fā)表的以“河流健康”為主題的論文4 000余篇，多集中在濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱地區(qū)的河流、湖泊、三角洲等區(qū)域[12]，針對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流的河流健康評(píng)價(jià)成果較少，主要集中在塔里木河、黑河、石羊河流域[11]，且從河流復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，綜合考慮河流自然與人類價(jià)值的河流健康評(píng)價(jià)成果較少，缺乏一套有效指導(dǎo)該類型河流健康評(píng)價(jià)與適應(yīng)性管理的理論方法體系。因此，本文結(jié)合干旱內(nèi)陸河流生態(tài)水文特性，以葉爾羌河干流段為評(píng)價(jià)對(duì)象，參考水利部《河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作用)》，采用 “壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型選擇關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立“基于可達(dá)最佳標(biāo)準(zhǔn)的”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并運(yùn)用組合賦權(quán)和有序度熵模型對(duì)葉爾羌河河流健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，以期指導(dǎo)該類型河流適應(yīng)性管理。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況、尺度界定與數(shù)據(jù)來(lái)源

葉爾羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要組成部分，干流全長(zhǎng)1 078 km，多年平均河川徑流量65.45×108m3。目前該流域突出的水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題表現(xiàn)為春灌缺水、夏洪突出、鹽漬化及沙漠化趨勢(shì)增加、向塔里木河生態(tài)輸水嚴(yán)重不足、水資源供需矛盾突出、生產(chǎn)生活擠占生態(tài)用水現(xiàn)象顯著等問(wèn)題。

針對(duì)河流健康概念界定的三要素：定義主體、研究對(duì)象、參照標(biāo)準(zhǔn)[2]，根據(jù)干旱區(qū)內(nèi)陸河流生態(tài)水文特征[13]，將葉爾羌河河流健康概念定義為，可為人類健康工作的河流復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康[12]。同時(shí)，借鑒地理學(xué)空間尺度概念中河流健康評(píng)價(jià)的點(diǎn)尺度(點(diǎn)位、斷面)、線尺度(河流、河段)、面尺度(流域、水系)劃分，本文采用點(diǎn)尺度與線尺度嵌套的空間尺度界定方法，評(píng)價(jià)范圍為葉爾羌河干流卡群渠首斷面至艾里克塔木渠首斷面(見(jiàn)圖1)，河段長(zhǎng)333 km，分為兩個(gè)分河段，分別為：卡群渠首至依干其渠首斷面(長(zhǎng)60 km)、依干其渠首至艾里克塔木渠首斷面(長(zhǎng)273 km)。評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀年為2015年。評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)資料來(lái)自葉爾羌河流域管理局1962-2015年水文站降水、蒸發(fā)、泥沙、水位、實(shí)測(cè)流量等數(shù)據(jù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)、流域規(guī)劃報(bào)告、統(tǒng)計(jì)年鑒以及相關(guān)專業(yè)報(bào)告等。

圖1 葉爾羌河流域范圍及水系站點(diǎn)分布示意圖

2.2 基于PSR模型的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全評(píng)價(jià)、土地資源質(zhì)量評(píng)價(jià)、土地利用可持續(xù)評(píng)價(jià)以及生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[2]，用于回答“發(fā)生了什么、為什么發(fā)生、將如何做”的問(wèn)題，應(yīng)用于河流健康評(píng)價(jià)成果較少。本文依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性、獨(dú)立性和指標(biāo)定量性與可操作性等原則，分別從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)因子選擇指標(biāo)初步構(gòu)建河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架，并采用設(shè)計(jì)問(wèn)卷調(diào)查表等方式通過(guò)被調(diào)查人員(相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇⒘饔蚬芾砭秩藛T、公眾等)分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于河流健康影響程度的評(píng)分[14]，考慮干旱區(qū)內(nèi)陸河流關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境機(jī)理，選擇關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)涵蓋的23項(xiàng)指標(biāo)的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 葉爾羌河卡群-艾里克塔木段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重系數(shù)

2.3 基于 “可達(dá)最佳狀態(tài)”的河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

河流健康是一個(gè)相對(duì)的概念，需要選擇參照狀態(tài)，即河流健康標(biāo)準(zhǔn)[12]，參照狀態(tài)(Reference Condition，RC)旨在定義和表征河流在自然條件下應(yīng)有的狀態(tài)，被越來(lái)越多地作為基準(zhǔn)應(yīng)用于評(píng)估人類活動(dòng)干擾程度[15]。根據(jù)當(dāng)前對(duì)參考狀態(tài)的幾種理解，包括最小干擾狀態(tài)(MDC)、歷史參考狀態(tài)(HC)、最低干擾狀態(tài)(LDC)、最佳可達(dá)狀態(tài)(BAC)[15]，本文以“近自然準(zhǔn)則”為原則，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)河流健康標(biāo)準(zhǔn)成果，并聘請(qǐng)行業(yè)專家、流域管理人員及沿岸居民公眾，人為規(guī)定一種通過(guò)有效調(diào)控與管理可達(dá)的期望狀態(tài)作為河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建基于“可達(dá)最佳狀態(tài)”的葉爾羌河河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以避免以河流天然狀態(tài)為基準(zhǔn)而可能導(dǎo)致的忽略河流保護(hù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性與可操作性弊端，見(jiàn)表2。該標(biāo)準(zhǔn)以“很健康、健康、亞健康、不健康、病?！睘楹恿鹘】翟u(píng)價(jià)等級(jí)[2]，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)閾值范圍確定依據(jù)指標(biāo)類型(定量指標(biāo)和定性指標(biāo))分別率定，對(duì)于定性指標(biāo)(特色生物存活狀況、河流景觀效應(yīng))，聘請(qǐng)專家采用賦分法用分值<20、20～40、40～60、60～80、>80分別對(duì)應(yīng)5個(gè)級(jí)別[12]；對(duì)于定量指標(biāo)，借鑒歷史資料、流域?qū)嶋H及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11-15]，并充分聽(tīng)取社會(huì)各方利益者的意見(jiàn)后，通過(guò)對(duì)比分析確定。

表2 河流健康等級(jí)表

2.4 基于內(nèi)置權(quán)重與用戶權(quán)重的綜合權(quán)重確定

內(nèi)置權(quán)重系數(shù)采用層次分析法獲得[16]。用戶權(quán)重系數(shù)采用客觀賦權(quán)法——熵權(quán)法計(jì)算。依據(jù)信息論基本原理，信息量越大，不確定性越小，熵越??；反之，信息量越小，不確定性越大，熵越大[16]。

設(shè)有m個(gè)河段，n項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)成原始數(shù)據(jù)矩陣(xij)m×n。

(1)歸一化處理。

(1)

(i=1,2，…，m;j=1,2,…,n)

(2)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵。

(2)

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，令

uj=1-ej(j=1,2,…,n)

(3)

對(duì)uj進(jìn)行歸一化處理，得∑wj=1，第j項(xiàng)的指標(biāo)權(quán)重wj為：

(4)

在綜合考慮主客觀因素基礎(chǔ)上，將內(nèi)置權(quán)重與用戶權(quán)重綜合，計(jì)算各指標(biāo)綜合權(quán)重，公式為：

(5)

式中：Qj為綜合權(quán)重系數(shù)；vi為內(nèi)置權(quán)重系數(shù)；wj為用戶權(quán)重系數(shù)。

2.5 基于有序度熵的河流健康評(píng)價(jià)模型

基于河流耗散結(jié)構(gòu)理論，從系統(tǒng)角度出發(fā)，引入有序度概念衡量河流健康評(píng)價(jià)的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)因子之間的協(xié)同性，構(gòu)建基于有序度熵的河流健康評(píng)價(jià)模型。設(shè)第j個(gè)子系統(tǒng)的第i個(gè)序參量xij，其值應(yīng)在臨界閾值區(qū)間，若在閾值區(qū)間的取值越大，子系統(tǒng)的有序程度越高；取值越小，則相反[17]。

對(duì)于遞增型序參量，設(shè)最小臨界值為Rmin，最大臨界值為Rmax，序參量值為Rij，則序參量的有序度ε為[18]：

(6)

對(duì)于遞減型序參量，序參量的有序度ε為[3]：

(7)

對(duì)于趨中型序參量，設(shè)序參量的臨界固定值為Rfix，序參量有序度ε為[18]：

(8)

采用系統(tǒng)熵衡量系統(tǒng)有序性程度，計(jì)算評(píng)價(jià)河流綜合健康指數(shù)。設(shè)河流系統(tǒng)分為m段，各河段指標(biāo)數(shù)為n，則各河段子系統(tǒng)健康指數(shù)可采用公式(9)進(jìn)行計(jì)算，各河段各因子的健康指數(shù)可由公式(10)計(jì)算可得，各河段的總體健康指數(shù)可由公式(11)進(jìn)行計(jì)算，河流總體健康指數(shù)在河段健康指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用算術(shù)平均的計(jì)算方法，由公式(12)可計(jì)算得出[18-19]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：Ipj為第p河段第j個(gè)子系統(tǒng)的健康指數(shù);ωpij為第p河段第j個(gè)子系統(tǒng)中第i個(gè)序參量的權(quán)重系數(shù)；εpij為第p河段第j子系統(tǒng)第i個(gè)序參量的有序度；n為第j子系統(tǒng)中序參量的個(gè)數(shù)；Ipk為第p河段第k個(gè)因子的健康指數(shù)；ωpjk為第p河段第k個(gè)因子中第j個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)；q為第p河段第k個(gè)因子中子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)；Ip為第p河段的總體健康指數(shù)；ωpk為第p河段第k個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)；HI為河流系統(tǒng)總體健康指數(shù)；m為河段數(shù)；其中，i=1，2，…n；j=1，2，…q；k=1，2，3；p=1，2，…m。

3 葉爾羌河現(xiàn)狀年河段河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 序參量權(quán)重

本文內(nèi)置權(quán)重系數(shù)采用層次分析法確定，經(jīng)計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax=6.08，一致性比率CR=0.013<0.1，滿足要求。用戶權(quán)重系數(shù)采用熵權(quán)法確定，并計(jì)算各指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)(見(jiàn)表1)。

3.2 序參量有序度值

各序參量有序度值成果見(jiàn)圖2。其中，S1、S2分別表示卡群渠首至依干其渡口渠首河段、依干其渡口渠首至艾里克塔木渠首河段(以下簡(jiǎn)稱S1河段、S2河段)。由圖2可知，S1河段與S2河段各序參量有序度值變化趨勢(shì)基本一致，人口密度(D4)、縱向連通性(D10)、河道蜿蜒性(D11)、流量變化率(D12)以及水質(zhì)綜合污染指數(shù)(D15)有序度值較高，均大于0.8，對(duì)河流系統(tǒng)健康的貢獻(xiàn)度較高，地下水開(kāi)采率(D6)、水沙平衡程度(D13)、天然植被蓋度(D17)以及荒漠化面積(D19)有序度值較低，均小于0.2，對(duì)系統(tǒng)健康的貢獻(xiàn)較小，其余序參量有序度值則在0.2～0.8之間上下波動(dòng)。

3.3 河流健康綜合指數(shù)

葉爾羌河分河段的河流健康綜合指數(shù)與健康等級(jí)劃分見(jiàn)表3?？梢缘贸觯~爾羌河干流卡群渠首斷面至艾里克塔木渠首斷面河流健康綜合指數(shù)0.529，且響應(yīng)健康指數(shù)(0.537)>狀態(tài)健康指數(shù)(0.530)>壓力健康指數(shù)(0.521)，河流健康等級(jí)為III級(jí)，處于亞健康狀態(tài)。其中，S1河段河流健康綜合指數(shù)為0.546，S2河段河流健康綜合指數(shù)為0.511，均為亞健康狀態(tài)，S1河段河流健康綜合指數(shù)略高于S2河段。各河段指標(biāo)層河流健康分指數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)圖3，壓力指數(shù)中，S1河段與S2河段的自然壓力(C1)健康指數(shù)均高于人為壓力(C2)健康指數(shù)，屬亞健康等級(jí)，且S1河段優(yōu)于S2河段；狀態(tài)指數(shù)中，S1河段與S2河段河流形態(tài)指標(biāo)(C3)健康指數(shù)在0.7～0.8之間，屬健康狀態(tài)，說(shuō)明河流形態(tài)指標(biāo)對(duì)狀態(tài)指數(shù)的健康貢獻(xiàn)度較大。兩河段水文指標(biāo)(C4)健康值均在0.4～0.6之間，為亞健康狀態(tài)。S1河段水質(zhì)指標(biāo)(C5)健康指數(shù)為健康狀態(tài)，而S2河段水質(zhì)指標(biāo)(C5)健康指數(shù)為亞健康狀態(tài)，值得引起注意。S2河段的生態(tài)指標(biāo)(C6)健康指數(shù)為0.3～0.4，屬不健康狀態(tài)，說(shuō)明河流生態(tài)指標(biāo)對(duì)狀態(tài)因子的健康貢獻(xiàn)度較??；響應(yīng)指數(shù)中，S2河段的社會(huì)功能指標(biāo)(C7)健康指數(shù)略微高于S1河段，均屬于亞健康等級(jí)。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示現(xiàn)狀年2015年，葉爾羌河干流河段(卡群-艾里克塔木)河流健康狀態(tài)由健康向不健康臨界狀態(tài)過(guò)渡。導(dǎo)致該河段河流健康受損的原因主要是，水資源開(kāi)發(fā)利用率高而有效使用率低(地表水引水率達(dá)92%，地下水開(kāi)采率達(dá)61%，灌溉水利用系數(shù)僅0.47[20])、水沙關(guān)系不平衡、水環(huán)境出現(xiàn)河段敏感性轉(zhuǎn)折性變化(由S1至S2)、流域天然植被覆蓋率下降、土壤鹽漬化沙漠化加劇等，河道內(nèi)幾乎未見(jiàn)以土著生物存活為表征的水生態(tài)沿程本底脆弱并趨于急劇惡化趨勢(shì)，下坂地水庫(kù)投入運(yùn)行與平原水庫(kù)的聯(lián)合水資源調(diào)配雖在一定程度上有效緩解了流域春旱缺水程度，農(nóng)田灌溉用水保證率和防洪能力相應(yīng)提高，但向塔河7-9月生態(tài)輸水(3.3×108m3)的規(guī)劃目標(biāo)仍未有效實(shí)現(xiàn)。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本符合[12]，河流健康生命受到威脅，需引起有關(guān)管理部門(mén)重視，河流健康維護(hù)工作勢(shì)在必行。

圖2序參量有序度分布柱狀圖圖3指標(biāo)層健康指數(shù)分布柱狀圖

表3 葉爾羌河分河段的河流健康綜合指數(shù)與健康等級(jí)劃分

4 結(jié)論及建議

(1)基于PSR模型和“可達(dá)最佳狀態(tài)”參照標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了葉爾羌河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用組合權(quán)重和有序度熵模型構(gòu)建河流健康評(píng)價(jià)模型。

(2)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，葉爾羌河干流卡群-艾里克塔木河段綜合健康指數(shù)為0.529，河流健康綜合評(píng)價(jià)等級(jí)III級(jí)，處于亞健康狀態(tài)，即河流健康由健康向不健康過(guò)渡的臨界狀態(tài)，與實(shí)際情況基本符合。

(3)葉爾羌河河流健康生命已受到威脅，河流健康保護(hù)工作勢(shì)在必行?；謴?fù)河道水沙沖淤平衡、施行最嚴(yán)格的水資源管理制度及水質(zhì)管理制度，提高河道外用水特別是農(nóng)田灌溉水利用效率，重視上游山區(qū)水庫(kù)下坂地水庫(kù)與平原水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度并考慮河流生態(tài)需水調(diào)度，以保護(hù)并恢復(fù)河流健康。